WO2012052532A1 - Organe de frottement pour l'assemblage de deux pièces - Google Patents

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WO2012052532A1
WO2012052532A1 PCT/EP2011/068397 EP2011068397W WO2012052532A1 WO 2012052532 A1 WO2012052532 A1 WO 2012052532A1 EP 2011068397 W EP2011068397 W EP 2011068397W WO 2012052532 A1 WO2012052532 A1 WO 2012052532A1
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coating
friction
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metal
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PCT/EP2011/068397
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David Haddad
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Astrium Sas
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B2/00—Friction-grip releasable fastenings
    • F16B2/005—Means to increase the friction-coefficient
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • C25D11/18—After-treatment, e.g. pore-sealing
    • C25D11/24—Chemical after-treatment
    • C25D11/246—Chemical after-treatment for sealing layers

Definitions

  • the present invention is in the field of the assembly of parts, in particular of metal parts, this assembly being in particular of the reversible type and without clearance. It relates more particularly to a friction member for the assembly of parts, as well as the use of such a member for the assembly of parts, and an assembly of parts implementing such an organ.
  • a particularly preferred field of application of the invention is the assembly of metal parts by screwed or bolted connections, this field of application being however not limited to the invention.
  • Assemblies of metal parts in particular parts made of a material of low hardness (in comparison with ceramics), such as aluminum, pose the problem of transmitting the lateral shear forces exerted on them, in particular in cases where they are integrated in working structures in which they are strongly solicited.
  • a friction member having granular external faces whose hardness is greater than the hardness of the base material of the parts.
  • the present invention aims to remedy the disadvantages of existing metal friction members for the assembly of parts in a static configuration relative to each other, in particular to those stated above, by providing a friction member which is relatively simple and inexpensive to manufacture, which has a high capacity of transmission without slippage of shear forces exerted on the assembly, and which limits the risk of damage to the assembled parts implemented within working structures.
  • a further object of the invention is to provide a friction member which is compatible with use in the spatial field, in which the parts to be assembled are both made of the same metal, in particular aluminum or titanium.
  • a metal friction member for assembly without play including the reversible type of two parts between which it is enclosed, which comprises, on at least one surface to be placed in contact with one of the parts to be assembled, an oxide coating of the same metal.
  • This coating results from the treatment of the organ by an electrolytic plasma oxidation process, and is capable of increasing the coefficient of friction at the interface of the parts between which the member is enclosed.
  • This coating said ceramic coating, advantageously obtained by electrochemical transformation of the metal on the surface of the member, has a high hardness and roughness, so that when it is sandwiched between two parts, formed in turn of a material of lower hardness, it constitutes a hard non-slip seal making it possible to increase the coefficient of friction at the interface of the parts, and consequently to increase the intensity of the shearing forces that the assembly of parts is able to transmit without sliding .
  • the term "friction" exerted by the member according to the invention can be termed static on the assembled parts, this friction having the effect of significantly limiting the risks of moving the assembled parts relative to each other. the other.
  • the friction member according to the invention may also be made of the same material as the parts to be assembled, that is to say a material of equivalent hardness, only the oxide layer formed on the surface of the organ then having a higher hardness.
  • a configuration is quite advantageous, especially in connection with an application in the spatial field, because the parts and the friction member then have equivalent thermoelastic properties, and deform homogeneously when subjected to temperature variations.
  • the friction member on the one hand, and the assembled parts on the other hand are thus less likely to be damaged by shearing due to the thermoelastic forces applied to the assembly, than in the solutions proposed by the prior art. in which the friction member is systematically made of steel.
  • the galvanic couples and the associated corrosion are also advantageously avoided.
  • An organ according to the invention in which the coating is obtained by surface electrochemical treatment, more particularly by an electrolytic plasma oxidation process, proves to be simpler and cheaper to manufacture than the organs of the electrolytic plasma.
  • prior art which are obtained by chemical or electrochemical addition of additional layers on their surface; its cohesion is superior, and it limits the risk of damage to the parts to be assembled on contact, including the absence of angular particles on its surface.
  • the coating is formed on each surface of the member intended to be placed in contact with a part to be assembled, and preferably, for greater ease of manufacture, over the entire surface of the member.
  • the electrolytic plasma oxidation process also known under the name of micro-arcs oxidation process, or of anodic oxidation by spark, is known in itself, and it proves quite advantageous in the context of the invention, in particular in that it makes it possible, by deep metal oxidation, to form on the surface of a metal substrate a metal oxide coating having a deep anchorage in the substrate, so that an excellent adhesion of the coating to the substrate results the organ.
  • Such a process also gives the coating formed tribological characteristics which are completely adapted to the intended application of the friction seal, in particular in terms of high hardness, its roughness and its thickness being moreover easily controllable by an appropriate choice of operating conditions. .
  • the metal oxide coating resulting from such treatment is advantageously thick, dense, hard and rough.
  • the invention also fulfills the following characteristics, implemented separately or in each of their technically operating combinations.
  • the metal constituting the friction member is chosen from aluminum or one of its alloys, titanium or one of its alloys, or magnesium.
  • Aluminum or one of its alloys, preferably low-alloyed aluminum, are particularly preferred, particularly in the context of an application in the spatial field, in that they have a low density, in particular with respect to in that they allow temperature excursions in very wide ranges, and in that this metal is very commonly used for the constitution of the parts to be assembled.
  • a friction member according to the invention formed from aluminum or aluminum alloy, advantageously makes it possible to increase the value of the coefficient of friction ⁇ at the interface of aluminum parts, with a value generally obtained of 0.2 up to a value of about 0.5 or even higher.
  • the coating of metal oxide results from the treatment of the organ by an electrolytic plasma oxidation process, followed by mechanical surface treatment by microbeading.
  • microbead treatment which is conventionally carried out in itself, makes it possible to eliminate the porous and friable surface layer of metal oxide formed during the electrolytic plasma treatment, which typically has a thickness of approximately 5 to 10 ⁇ , and whose dust that might be released during friction at the interface with the assembled part are likely to generate harmful pollution, especially in space applications.
  • the metal oxide coating results from the treatment of the organ by an electrolytic plasma oxidation process followed by surface treatment by sanding, again to remove the layer. porous superficial porous and retain only the hardest transition crystalline layer of the formed coating, so as not to be a source of subsequent particulate contamination when using the organ.
  • the treatment of the organ by an electrolytic plasma oxidation process may be followed according to the invention with any step allowing the most fragile surface porous layer to be removed abrasionally, without damaging the crystalline layer, as for example by a step of rubbing the treated member against an abrasive object, or even friction of two bodies treated against each other.
  • the member has a thickness between 0.15 and 0.3 mm, which allows both to ensure its strength, while minimizing its mass and giving it a deformation capacity sufficient to conform to the shapes general, and more particularly defects, parts against which it is applied.
  • the ceramic coating also has one or more of the following properties: a thickness between 5 and 85 ⁇ , preferably between 20 and 40 ⁇ , and a roughness Ra between 1 and 10, expressed in microns of classical way in itself for the arithmetic roughness Ra.
  • the ceramic coating also has a hardness of 3 to 50 times greater than the hardness of said parts.
  • the coating has a hardness on the Vickers hardness scale of between 900 and This hardness is much greater than the hardness of a part to be assembled formed in the same metal, which is typically included, on the Vickers hardness scale, between 50 and 300.
  • the friction member according to the invention can advantageously be manufactured easily and quickly by custom cutting in a standard metal sheet, of predetermined thickness, having been previously subjected to an electrochemical surface treatment to form a layer of oxide of the metal, if necessary followed by a step of mechanical surface treatment.
  • the friction member is in the form of a washer intended to be implemented in the context of connections screwed or bolted between two parts, the washer being interposed between the parts. to assemble and traversed by the connecting element of the screw or bolt type.
  • Another aspect of the invention is the use of a friction member corresponding to one or more of the above features for the assembly without play of two parts, in particular metal parts, in particular an assembly. reversible type. This use provides that the friction member is interposed between the parts to be assembled, sandwiched between them.
  • the friction member according to the invention can in particular be used as a friction seal, participating in the transmission of shear forces between parts, in particular metal parts.
  • Another particularly preferred application of the friction member according to the invention is its use for the assembly of two parts by screwed or bolted connections, in a fastening system implementing a connecting element, of the screw or bolt type, and wherein the member is clamped between the two parts to be assembled and itself traversed by the connecting element.
  • screwed or bolted connections are dimensioned so as to ensure sliding positive safety margins, that is to say to guarantee that the mechanical connection will remain intact under the effect of shearing forces. exercised on the parts thus assembled. While the axial forces pass by support between the two assembled parts, and are dimensioned directly by the preload of the connecting element, that is to say the screw or bolt, which binds these two parts, the efforts side pass through them by friction between the two parts, and are dimensioned by the precharge of the screw weighted by the coefficient of friction at the interface. For an aluminum-aluminum interface, this coefficient of friction ⁇ is generally considered to be equal to 0.2.
  • the friction member is preferably dimensioned so as to obtain, in connection with the characteristics of the connecting element used, a contact pressure of between 10 and 90 MPa, preferably between 30 and 60 MPa, and more preferably between 50 and 55 MPa, under the precharging of the through link element.
  • a third aspect of the invention is a two-piece assembly, wherein a friction member responsive to one or more of the above features is sandwiched between the parts.
  • the parts and the friction member implemented in this assembly are preferably formed of the same metal.
  • the friction member according to the invention is entirely suitable for assembling parts made of aluminum, titanium, invar, and / or magnesium, with the limit that the hardness of the ceramic coating formed on the The organ must be greater than the hardness of the parts.
  • a friction washer is formed from an aluminum alloy strip corresponding to the designation 1050 H18 (a low alloy aluminum and work hardened to about 30%), thickness 0.2 mm.
  • this strip is subjected to a micro-arc oxidation treatment, according to a conventional method in itself.
  • This treatment is, in general, based on the application of a large potential difference between the metal substrate to be treated and a counter-electrode immersed in an alkaline electrolyte bath, causing the formation of electric discharges and micro-electrons. arcs that move on the submerged surface of the substrate, and which induce the growth of a metal oxide layer on the surface of the substrate.
  • micro-arc oxidation process of the aluminum strip is for example implemented according to the teaching of this document, such a mode of implementation is however not limited to the invention.
  • the treatment is carried out in an alkaline electrolyte bath containing an alkali metal hydroxide, for example potassium hydroxide KOH, and an alkali metal oxyacid salt, for example sodium silicate Na 2 SiO 3 .
  • an alkali metal hydroxide for example potassium hydroxide KOH
  • an alkali metal oxyacid salt for example sodium silicate Na 2 SiO 3 .
  • the exact composition of the bath and the operating parameters, in particular the value and the shape profile of the applied voltage, the frequency and the value of the current, are chosen, by calculations within the reach of those skilled in the art, so as to inducing the formation on the strip, preferably over the entire surface of the latter, of a ceramic aluminum oxide layer of thickness between 30 and 40 ⁇ . It is observed that this layer is mainly formed of alumina ⁇ - ⁇ 2 0 3 and alpha-alumina - ⁇ 2 0 3 .
  • This layer has a hardness of about 1,360 on the Vickers hardness scale, well above the initial hardness of
  • micro-arcs oxidation treatment is followed by a mechanical microballing treatment, having the effect of eliminating the porous and friable surface layer, about 10 ⁇ thick, which has formed on the strip.
  • the ceramic coating thus formed on both sides of the strip has:
  • a friction washer is cut in this strip, for example by punching, by jets of water, or by any other conventional method in itself.
  • Several aluminum washers were subjected to an oxidation process as described above, by varying the operating parameters.
  • Assemblies were made by enclosing each of these ceramic washers between two identical untreated aluminum washers, according to a given clamping pressure. An axial force was applied to each assembly, in order to determine, for each treated washer, the axial force causing sliding and the coefficient of friction associated.
  • the washers treated according to the invention implemented in a so-called static two-piece assembly, thus make it possible to significantly increase the transmission capacity without slippage of the shear forces exerted on the assembly.
  • the dimensions of the washer are chosen according to the conditions of its implementation, for example the characteristics of a screwed or bolted connection system in which it is intended to be implemented, and particularly the screw or bolt of such a system.
  • the internal diameter of the washer is 1 mm greater than the external diameter of the screw or bolt rod. Its outer diameter is determined according to calculations of the skilled person, so as to obtain a contact pressure of between 50 and 55 MPa under the preload of the screw. For example, for a screw with a rod 6 mm in diameter, preloaded between 8000 and 10 000 N, using a washer having an internal diameter of 7 mm and an outer diameter of 17 mm.
  • This washer can for example be used for the assembly of two aluminum parts by a screwed or bolted connection. It is then inserted and clamped between said parts, ensuring that each of its faces in contact with said parts is covered with a ceramic coating according to the invention. Its hardness, much higher than the hardness of the aluminum parts, which is of the order of 170 on the Vickers hardness scale, and its roughness, make it possible to obtain a coefficient of friction at the interface of the parts of about 0.5. Such a coefficient makes it possible to significantly increase the amplitude of the shearing forces that the bond thus obtained is able to transmit without sliding.
  • the assembly of parts thus obtained is particularly particularly suitable for applications in the spatial field, because of its lightness, the homogeneity of its thermoelastic properties, its tolerance to vacuum, radiation, temperature variations. , and its mechanical strength.
  • This washer can equally well be used for assembling parts made from another material, whether titanium, Invar (registered trademark), or for the assembly of parts respectively constituted in different materials.
  • the present invention achieves the objectives it has set for itself.
  • it provides a friction member which is particularly suitable for implementation for the assembly without play and reversible metal parts by screwed or bolted connections, which is simple and inexpensive to manufacture and to put implementation, and which makes it possible to increase very significantly the ability of the assembly to transmit the shear forces without sliding, and this even when it is made from a material of medium mechanical strength such as the aluminum.
  • This body also limits the risk of damage to the parts on contact.

Abstract

L'invention concerne un organe de frottement en métal pour l'assemblage de deux pièces, qui comporte, sur au moins une surface destinée à être placée en contact avec une des pièces, un revêtement d'oxyde dudit métal résultant du traitement de l'organe par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique. Ce revêtement présente une dureté et une rugosité suffisantes pour, lorsqu'il est disposé enserré entre les pièces assemblées, augmenter de façon significative la capacité de transmission d'efforts de cisaillement sans glissement de l'assemblage ainsi obtenu.

Description

ORGANE DE FROTTEMENT POUR L'ASSEMBLAGE DE DEUX PIÈCES
La présente invention s'inscrit dans le domaine de l'assemblage de pièces, en particulier de pièces métalliques, cet assemblage étant notamment du type réversible et sans jeu. Elle concerne plus particulièrement un organe de frottement pour l'assemblage de pièces, ainsi que l'utilisation d'un tel organe pour l'assemblage de pièces, et un assemblage de pièces mettant en œuvre un tel organe.
Un domaine d'application particulièrement préféré de l'invention est l'assemblage de pièces métalliques par liaisons vissées ou boulonnées, ce domaine d'application n'étant cependant nullement limitatif de l'invention.
Les assemblages de pièces métalliques, notamment des pièces constituées en un matériau de faible dureté (en comparaison avec des céramiques), tel que l'aluminium, posent le problème de la transmission des efforts latéraux de cisaillement exercés sur eux, en particulier dans les cas où ils sont intégrés dans des structures travaillantes au sein desquelles ils sont fortement sollicités. Afin d'augmenter la capacité de transmission sans glissement des efforts tranchants exercés sur de tels assemblages, il a été proposé par l'art antérieur de disposer, entre les pièces à assembler, un organe de frottement présentant des faces externes granuleuses dont la dureté est supérieure à la dureté du matériau de base des pièces. On peut citer, à titre d'exemple, le document EP 0 961 038, qui propose un organe de frottement sous forme d'une feuille mince de dureté au moins égale à la dureté des pièces à assembler, notamment en acier, et sur laquelle sont fixées des particules dures, notamment des particules de diamant. Cette fixation des particules sur la feuille est réalisée par l'intermédiaire d'une couche de liant déposée sur les faces opposées de la feuille, plus particulièrement d'une couche de nickel. De tels organes de frottement permettent d'augmenter le coefficient de frottement à l'interface avec les pièces à assembler.
Cependant, les organes de frottement proposés par l'art antérieur s'avèrent complexes, et donc coûteux, à fabriquer. De plus, le contact des particules, tranchantes et anguleuses, sur la surface des pièces, outre le fait qu'il engendre un risque important de corrosion par frottement de ces dernières, augmente le risque de formation d'amorces de fissuration sur leur surface.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients des organes de frottement métalliques existant pour l'assemblage de pièces dans une configuration statique l'une par rapport à l'autre, notamment à ceux énoncés ci- avant, en proposant un organe de frottement qui soit relativement simple et peu coûteux à fabriquer, qui présente une capacité élevée de transmission sans glissement des efforts tranchants exercés sur l'assemblage, et qui limite les risques d'endommagement des pièces assemblées mises en œuvre au sein de structures travaillantes.
Un objectif supplémentaire de l'invention est de proposer un organe de frottement qui soit compatible avec une utilisation dans le domaine spatial, dans lequel les pièces à assembler sont généralement toutes deux réalisées dans un même métal, en particulier l'aluminium ou le titane.
A cet effet, il est proposé selon la présente invention un organe de frottement en métal pour l'assemblage sans jeu, notamment du type réversible, de deux pièces entre lesquelles il est enserré, qui comporte, sur au moins une surface destinée à être placée en contact avec une des pièces à assembler, un revêtement d'oxyde de ce même métal. Ce revêtement résulte du traitement de l'organe par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique, et est apte à augmenter le coefficient de frottement à l'interface des pièces entre lesquelles l'organe est enserré.
Ce revêtement, dit revêtement céramique, avantageusement obtenu par transformation électrochimique du métal à la surface de l'organe, présente une dureté et une rugosité élevées, si bien que, lorsqu'il est enserré entre deux pièces, formées quant à elles en un matériau de dureté plus faible, il constitue un joint dur antidérapant permettant d'augmenter le coefficient de frottement à l'interface des pièces, et par conséquent d'augmenter l'intensité des efforts tranchants que l'assemblage de pièces est apte à transmettre sans glissement. A cet égard, on peut qualifier par le terme statique le frottement exercé par l'organe selon l'invention sur les pièces assemblées, ce frottement ayant pour effet de limiter de façon importante les risques de déplacement des pièces assemblées l'une par rapport à l'autre.
L'organe de frottement selon l'invention peut en outre être constitué dans le même matériau que les pièces à assembler, c'est-à-dire un matériau de dureté équivalente, seule la couche d'oxyde formée à la surface de l'organe présentant alors une dureté plus élevée. Une telle configuration s'avère tout à fait avantageuse, notamment en liaison avec une application dans le domaine spatial, car les pièces et l'organe de frottement présentent alors des propriétés thermoélastiques équivalentes, et se déforment de manière homogène lorsqu'ils sont soumis à des variations de température. L'organe de frottement d'une part, et les pièces assemblées d'autre part, courent ainsi moins de risques d'être endommagés par cisaillement dû aux forces thermoélastiques appliquées sur l'ensemble, que dans les solutions proposées par l'art antérieur dans lesquelles l'organe de frottement est systématiquement constitué en acier. On évite en outre également avantageusement les couples galvaniques et la corrosion associée.
Un organe selon l'invention, dans lequel le revêtement est obtenu par un traitement électrochimique de surface, plus particulièrement par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique, s'avère en outre plus simple et moins coûteux à fabriquer que les organes de l'art antérieur, qui sont quant à eux obtenus par addition chimique ou électrochimique de couches supplémentaires sur leur surface ; sa cohésion est supérieure, et il limite les risques d'endommagement des pièces à assembler à son contact, notamment par l'absence de particules anguleuses à sa surface.
De préférence, le revêtement est formé sur chaque surface de l'organe destinée à être placée en contact avec une pièce à assembler, et préférentiellement encore, pour une plus grande facilité de fabrication, sur l'ensemble de la surface de l'organe.
Le procédé d'oxydation par plasma électrolytique, également connu sous le nom de procédé d'oxydation micro-arcs, ou encore d'oxydation anodique par étincelage, est connu en lui-même, et il s'avère tout à fait avantageux dans le cadre de l'invention, notamment en ce qu'il permet, par une oxydation du métal réalisée en profondeur, de former sur la surface d'un substrat métallique un revêtement d'oxyde du métal présentant un ancrage profond dans le substrat, si bien qu'il en résulte une excellente adhésion du revêtement sur l'organe. Un tel procédé confère en outre au revêtement formé des caractéristiques tribologiques tout à fait adaptées à l'application visée de joint de frottement, notamment en termes de dureté élevée, sa rugosité et son épaisseur étant en outre facilement maîtrisables par un choix approprié des conditions opératoires. Le revêtement d'oxyde de métal résultant d'un tel traitement est avantageusement épais, dense, dur et rugueux.
Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, le métal constituant l'organe de frottement est choisi parmi l'aluminium ou un de ses alliages, le titane ou un de ses alliages, ou le magnésium.
L'aluminium ou un de ses alliages, de préférence l'aluminium faiblement allié, sont particulièrement préférés, notamment dans le cadre d'une application dans le domaine spatial, en ce qu'ils présentent une faible densité, en particulier par rapport à l'acier, en ce qu'ils permettent des excursions en température dans des gammes très larges, et en ce que ce métal y est très couramment utilisé pour la constitution des pièces à assembler.
Un organe de frottement selon l'invention, formé en aluminium ou en alliage d'aluminium, permet avantageusement d'augmenter la valeur du coefficient de frottement μ à l'interface de pièces en aluminium, d'une valeur généralement obtenue de 0,2, jusqu'à une valeur d'environ 0,5 ou même supérieure.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, le revêtement d'oxyde de métal résulte du traitement de l'organe par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique, suivi d'un traitement de surface mécanique par microbillage. Un tel traitement par microbillage, qui est mis en œuvre de façon classique en elle-même, permet d'éliminer la couche superficielle poreuse et friable d'oxyde de métal formée lors du traitement par plasma électrolytique, qui présente typiquement une épaisseur d'environ 5 à 10 μιη, et dont les poussières qui pourraient en être dégagées lors du frottement à l'interface avec la pièce assemblée sont susceptibles de générer une pollution néfaste, notamment dans les applications du domaine spatial.
Dans d'autres modes de mise en œuvre, le revêtement d'oxyde de métal résulte du traitement de l'organe par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique suivi d'un traitement de surface par sablage, là encore afin de supprimer la couche poreuse superficielle fragile et ne conserver que la couche cristalline de transition la plus dure du revêtement formé, afin de ne pas être source de contamination particulaire ultérieure lors de l'utilisation de l'organe.
De façon plus générale, le traitement de l'organe par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique peut être suivi selon l'invention de toute étape permettant d'enlever par abrasion la couche poreuse superficielle la plus fragile, sans endommager la couche cristalline, comme par exemple par une étape de frottement de l'organe traité contre un objet abrasif, voire même de frottement de deux organes traités l'un contre l'autre.
Préférentiellement, l'organe présente une épaisseur comprise entre 0,15 et 0,3 mm, qui permet à la fois d'assurer sa solidité, tout en minimisant sa masse et en lui conférant une capacité de déformation suffisante pour épouser les formes de façon générale, et plus particulièrement les défauts, des pièces contre lesquelles il est appliqué.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, le revêtement céramique présente en outre l'une ou plusieurs des propriétés ci-après : une épaisseur comprise entre 5 et 85 μιη, de préférence comprise entre 20 et 40 μιη, et une rugosité Ra comprise entre 1 et 10, exprimée en microns de manière classique en elle-même pour la rugosité arithmétique Ra.
Le revêtement céramique présente en outre une dureté de 3 à 50 fois supérieure à la dureté desdites pièces. Préférentiellement, dans les cas où le métal entrant dans la constitution de l'organe est l'aluminium, le titane, ou un alliage d'un de ces métaux, le revêtement présente une dureté sur l'échelle de dureté Vickers comprise entre 900 et 1 500. Cette dureté est largement supérieure à la dureté d'une pièce à assembler formée dans le même métal, qui est typiquement comprise, sur l'échelle de dureté Vickers, entre 50 et 300.
L'organe de frottement selon l'invention peut avantageusement être fabriqué facilement et rapidement par découpe sur-mesure dans une feuille de métal standard, d'épaisseur prédéterminée, ayant été préalablement soumise à un traitement électrochimique de surface visant à y former une couche d'oxyde du métal, le cas échéant suivi d'une étape de traitement mécanique de surface.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention l'organe de frottement se présente sous la forme d'une rondelle, destinée à être mise en œuvre dans le cadre de liaisons vissées ou boulonnées entre deux pièces, la rondelle étant intercalée entre les pièces à assembler et traversée par l'élément de liaison du type vis ou boulon.
Un autre aspect de l'invention est l'utilisation d'un organe de frottement répondant à l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-avant pour l'assemblage sans jeu de deux pièces, notamment de pièces métalliques, en particulier d'un assemblage du type réversible. Cette utilisation prévoit que l'organe de frottement soit interposé entre les pièces à assembler, enserré entre ces dernières.
L'organe de frottement selon l'invention peut notamment être utilisé en tant que joint de frottement, participant à la transmission des efforts de cisaillement entre des pièces, en particulier des pièces métalliques.
Une autre application particulièrement préférée de l'organe de frottement selon l'invention est son utilisation pour l'assemblage de deux pièces par liaisons vissées ou boulonnées, dans un système de fixation mettant en œuvre un élément de liaison traversant, du type vis ou boulon, et selon laquelle l'organe est enserré entre les deux pièces à assembler et lui- même traversé par l'élément de liaison.
Dans de telles applications, de façon générale, on dimensionne les liaisons vissées ou boulonnées de sorte à assurer des marges de sécurité positives en glissement, c'est-à-dire à garantir que la liaison mécanique restera intacte sous l'effet des efforts tranchants exercés sur les pièces ainsi assemblées. Alors que les efforts axiaux passent par appui entre les deux pièces assemblées, et sont dimensionnés directement par la précharge de l'élément de liaison, c'est-à-dire de la vis ou du boulon, qui lie ces deux pièces, les efforts latéraux passent quant à eux par frottement entre les deux pièces, et sont donc dimensionnés par la précharge de la vis pondérée par le coefficient de frottement à l'interface. Pour une interface aluminium-aluminium, ce coefficient de frottement μ est généralement considéré comme égal à 0,2. Ainsi, du fait de la faible valeur de ce coefficient de frottement, les liaisons vissées ou boulonnées transmettent généralement cinq fois moins d'efforts latéraux que d'efforts axiaux. Ce problème est résolu suivant l'art antérieur par le surdimensionnement de certaines interfaces vissées ou boulonnées, le rajout de vis ajustées ou de pions, ce qui entraîne des configurations complexes, coûteuses et lourdes à fabriquer.
L'utilisation d'un organe de frottement conforme à l'invention, intercalé entre deux pièces assemblées par des liaisons vissées ou boulonnées, permet avantageusement d'augmenter la valeur du coefficient de frottement à l'interface des pièces, et par là-même la capacité de transmission d'efforts latéraux de l'assemblage, ceci sans avoir recours à un surdimensionnement ou à des éléments de liaison supplémentaires comme préconisé par l'art antérieur. Cette solution s'avère en outre plus simple et moins coûteuse à mettre en œuvre que les solutions de l'art antérieur.
Dans un tel cadre, l'organe de frottement est de préférence dimensionné de sorte à obtenir, en liaison avec les caractéristiques de l'élément de liaison mis en œuvre, une pression de contact comprise entre 10 et 90 MPa, préférentiellement entre 30 et 60 MPa, et préférentiellement encore entre 50 et 55 MPa, sous la précharge de l'élément de liaison traversant.
Le choix de telles plages de valeurs permet avantageusement d'éviter tout risque d'une part de plastification, et d'autre part de dégradation, de l'organe dans l'assemblage.
Un troisième aspect de l'invention est un assemblage de deux pièces, dans lequel un organe de frottement répondant à l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-avant est enserré entre les pièces.
Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les pièces et l'organe de frottement mis en œuvre dans cet assemblage sont de préférence formés d'un même métal.
De façon générale, l'organe de frottement selon l'invention est tout à fait approprié pour l'assemblage de pièces constituées en aluminium, titane, invar, et/ou magnésium, à la limite près que la dureté du revêtement céramique formé sur l'organe doit être supérieure à la dureté des pièces.
L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de l'exemple de réalisation préféré ci-après, qui n'en constitue toutefois nullement une limitation.
Une rondelle de frottement est formée à partir d'un feuillard d'alliage d'aluminium répondant à la désignation 1050 H18 (un aluminium faiblement allié et écroui à environ 30 %), d'épaisseur 0,2 mm.
Préalablement, ce feuillard est soumis à un traitement d'oxydation micro-arcs, selon une méthode classique en elle-même. Ce traitement est, de façon générale, basé sur l'application d'une forte différence de potentiel entre le substrat métallique à traiter et une contre-électrode plongés dans un bain d'électrolyte alcalin, provoquant la formation de décharges électriques et de micro-arcs qui se déplacent sur la surface immergée du substrat, et qui induisent la croissance d'une couche d'oxyde de métal en surface du substrat.
De tels procédés d'oxydation micro-arcs sont largement décrits dans la littérature, notamment dans le document WO 01 /81658.
Le procédé d'oxydation micro-arcs du feuillard d'aluminium est par exemple mis en œuvre selon l'enseignement de ce document, un tel mode de mise en œuvre n'étant cependant nullement limitatif de l'invention.
Le traitement est réalisé dans un bain d'électrolyte alcalin contenant un hydroxyde d'un métal alcalin, par exemple l'hydroxyde de potassium KOH, et un sel oxyacide de métal alcalin, par exemple le silicate de sodium Na2SiO3. La composition exacte du bain et les paramètres opératoires, notamment la valeur et le profil de forme de la tension appliquée, la fréquence et la valeur du courant, sont choisis, par des calculs à la portée de l'homme du métier, de sorte à induire la formation sur le feuillard, de préférence sur toute la surface de ce dernier, d'une couche céramique d'oxyde d'aluminium d'épaisseur comprise entre 30 et 40 μιη. Il est observé que cette couche est principalement formée d'alumine γ-ΑΙ203 et d'alpha-alumine -ΑΙ203. Cette couche présente une dureté d'environ 1 360 sur l'échelle de dureté Vickers, bien supérieure à la dureté initiale de l'aluminium, qui s'élève à environ 170 sur l'échelle de dureté Vickers.
Le traitement d'oxydation micro-arcs est suivi d'un traitement mécanique par microbillage, ayant pour effet d'éliminer la couche superficielle poreuse et friable, d'épaisseur d'environ 10 μιη, qui s'est formée sur le feuillard.
Le revêtement céramique ainsi formé sur les deux faces du feuillard présente :
- une épaisseur comprise entre 20 et 30 μιη, - une rugosité Ra comprise entre 1 et 10 μιη, et
- une dureté d'environ 1 360 sur l'échelle de dureté Vickers.
Une rondelle de frottement est découpée dans ce feuillard, par exemple à l'emporte-pièce, par jets d'eaux, ou par toute autre méthode classique en elle-même. Plusieurs rondelles en aluminium ont été soumises à un procédé d'oxydation tel que décrit ci-avant, en faisant varier les paramètres opératoires.
Les propriétés des rondelles ainsi obtenues sont indiquées dans le Tableau 1 ci-après.
Des assemblages ont été réalisés en enserrant chacune de ces rondelles céramisées entre deux rondelles d'aluminium non traitées identiques, suivant une pression de serrage donnée. Un effort axial a été appliqué sur chaque assemblage, afin de déterminer, pour chaque rondelle traitée, l'effort axial provoquant un glissement et le coefficient de frottement associé.
Pour chaque rondelle céramisée, les différents paramètres et résultats de ce test sont indiqués dans le Tableau 1 ci-dessous.
Figure imgf000011_0001
Tableau 1 - Caractéristiques des rondelles céramisées, paramètres et résultats du test d'évaluation de la capacité de transmission d'efforts sans glissement,
où Erond est l'épaisseur de la rondelle céramisée ; Erevet est l'épaisseur du revêtement céramique sur chaque face de la rondelle ; S est la surface d'appui de la rondelle céramisée sur chaque rondelle non traitée ; Ra1 est la rugosité de la rondelle céramisée ; Ra2 est la rugosité de chaque rondelle non traitée ; Ea est l'effort axial maximal appliqué pendant l'essai ; Eg est l'effort de glissement, c'est-à-dire l'effort appliqué au moment où le glissement commence ; μ est le coefficient de frottement statique (μ= Eg/Ea) ; C est la pression de serrage appliquée sur l'assemblage.
Les résultats de ce test démontrent clairement que les rondelles traitées conformément à différents modes de mise en œuvre du procédé selon l'invention présentent toutes une rugosité telle qu'elles permettent d'augmenter la valeur du coefficient de frottement μ à l'interface de pièces jusqu'à une valeur proche de 0,5, valeur largement supérieure à celle des pièces en aluminium non traités, qui est environ égale à 0,2.
Les rondelles traitées conformément à l'invention, mises en œuvre dans un assemblage dit statique de deux pièces, permettent ainsi d'augmenter de manière significative la capacité de transmission sans glissement des efforts tranchants exercés sur l'assemblage.
De manière générale, les dimensions de la rondelle sont choisies en fonction des conditions de sa mise en œuvre, par exemple des caractéristiques d'un système de liaison vissée ou boulonnée au sein duquel elle est destinée à être mise en œuvre, et notamment de la vis ou du boulon d'un tel système.
A titre d'exemple, pour une utilisation pour l'assemblage de deux pièces métalliques par une liaison vissée ou boulonnée, le diamètre interne de la rondelle est supérieur de 1 mm au diamètre externe de la tige de la vis ou du boulon. Son diamètre externe est déterminé, selon des calculs du ressort de l'homme du métier, de sorte à obtenir une pression de contact comprise entre 50 et 55 MPa sous la précharge de la vis. Par exemple, pour une vis à tige de 6 mm de diamètre, préchargée entre 8 000 et 10 000 N, on utilise une rondelle présentant un diamètre interne de 7 mm et un diamètre externe de 17 mm.
Cette rondelle peut par exemple être utilisée pour l'assemblage de deux pièces en aluminium par une liaison vissée ou boulonnée. Elle est alors intercalée et enserrée entre lesdites pièces, en assurant que chacune de ses faces en contact avec lesdites pièces soit recouverte d'un revêtement céramique conforme à l'invention. Sa dureté, bien supérieure à la dureté des pièces d'aluminium, qui est de l'ordre de 170 sur l'échelle de dureté de Vickers, et sa rugosité, permettent d'obtenir un coefficient de frottement à l'interface des pièces d'environ 0,5. Un tel coefficient permet d'augmenter de manière significative l'amplitude des efforts tranchants que la liaison ainsi obtenue est apte à transmettre sans glissement.
L'assemblage de pièces ainsi obtenu est en particulier tout à fait adapté pour des applications dans le domaine spatial, en raison de sa légèreté, de l'homogénéité de ses propriétés thermoélastiques, de sa tolérance au vide, aux radiations, aux variations de température, et de sa résistance mécanique.
Cette rondelle peut tout aussi bien être utilisée pour l'assemblage de pièces constituées à base d'un autre matériau, qu'il s'agisse de titane, d'Invar (marque déposée), ou encore pour l'assemblage de pièces respectivement constituées en des matériaux différents.
La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle s'était fixés. En particulier, elle fournit un organe de frottement qui est notamment tout à fait adapté pour une mise en œuvre pour l'assemblage sans jeu et réversible de pièces métalliques par des liaisons vissées ou boulonnées, qui est simple et peu coûteux à fabriquer et à mettre en œuvre, et qui permet d'augmenter de façon très significative la capacité de l'assemblage à transmettre les efforts de cisaillement sans glissement, et ceci même lorsqu'il est constitué à base d'un matériau de tenue mécanique moyenne tel que l'aluminium. Cet organe limite en outre les risques d'endommagement des pièces à son contact.

Claims

REVENDICATIONS
1. Organe de frottement en métal pour l'assemblage sans jeu de deux pièces entre lesquelles il est enserré, caractérisé en ce qu'il comporte, sur au moins une surface destinée à être placée en contact avec une desdites pièces, un revêtement d'oxyde dudit métal résultant du traitement dudit organe par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique, apte à augmenter le coefficient de frottement à l'interface desdites pièces.
2. Organe selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le revêtement d'oxyde de métal résulte du traitement dudit organe par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique suivi d'un traitement par microbillage.
3. Organe selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le revêtement d'oxyde de métal résulte du traitement dudit organe par un procédé d'oxydation par plasma électrolytique suivi d'un traitement par sablage.
4. Organe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit revêtement présente une épaisseur comprise entre
Figure imgf000014_0001
5. Organe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit revêtement présente une épaisseur comprise entre 20 et 40 μηπ.
6. Organe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit revêtement présente une dureté de 3 à 50 fois supérieure à la dureté desdites pièces.
7. Organe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit revêtement présente une rugosité Ra comprise entre 1 et 10 μιη.
8. Organe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur comprise entre 0,15 et 0,3 mm.
9. Organe selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit revêtement est formé sur chaque surface de l'organe destinée à être placée en contact avec une pièce.
10. Organe selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit métal est choisi parmi l'aluminium ou un de ses alliages, le titane ou un de ses alliages, ou le magnésium.
11. Organe selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'une rondelle.
12. Utilisation d'un organe de frottement selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 pour l'assemblage sans jeu de deux pièces, selon laquelle l'organe de frottement est interposé entre lesdites pièces.
13. Utilisation selon la revendication 12 pour l'assemblage de deux pièces par liaison vissée ou boulonnée, selon laquelle l'organe de frottement est dimensionné de sorte à obtenir une pression de contact comprise entre 10 et 90 MPa sous la précharge d'un élément de liaison traversant.
14. Assemblage de deux pièces, dans lequel un organe de frottement selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 est enserré entre lesdites pièces.
15. Assemblage selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdites pièces et ledit organe de frottement sont formés d'un même métal.
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